[논문]인간손의 동작과 모양을 모방한 휴머노이드 로봇손 설계

안상익; 오용환; 권상주

doi:10.5302/j.icros.2008.14.1.062

인간손의 동작과 모양을 모방한 휴머노이드 로봇손 설계
Design of a Humanoid Robot Hand by Mimicking Human Hand's Motion and Appearance 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.14 no.1, 2008년, pp.62 - 69

안상익 (한국항공대학교 항공우주기계공학부, 한국과학기술연구원) , 오용환 (한국과학기술연구원) , 권상주 (한국항공대학교 항공우주기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A specialized anthropomorphic robot hand which can be attached to the biped humanoid robot MAHRU-R in KIST, has been developed. This built-in type hand consists of three fingers and a thumb with total four DOF(Degrees of Freedom) where the finger mechanism is well designed for grasping typical objects stably in human's daily activities such as sphere and cylinder shaped objects. The restriction of possible motions and the limitation of grasping objects arising from the reduction of DOF can be overcome by reflecting a typical human finger's motion profile to the design procedure. As a result, the developed hand can imitate not only human hand's shape but also its motion in a compact and efficient manner. Also this novel robot hand can perform various human hand gestures naturally and grasp normal objects with both power and precision grasping capability.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 기존의 휴모노이드 로봇손에 있어서는 이러한 부분을 고려하는 것이 부족하였다. 따라서 본 논문은 휴머노이드 로봇손을 설계하는데 있어서 구형 및 실린더형 물체를 안정적으로 쥐기 위한 손가락 마디간의 구속관계를 고려하였고 이를 위하여 인간 손가락 구조에 있는 특징을 로봇 손가락에 반영하였다. 이점이 기존의 휴머노이드 로봇손 설계와 차별화되는 부분이라고 말할 수 있겠다.
기어 비는 백드라이버빌리티를 고려하여 152:1과 134:1로 결정되었다. 로봇손과 손목과의 연결부분에는 F/T 센서가 삽입되었는데 이는 로봇손에 작용하는 힘과 모멘트를 측정하여 다양한 작업을 수행하는데 사용하기 위해서이다. 예를 들어 칠판에 글을 쓰는 작업을 수행하기 위해서는 표면으로부터 전달되는 힘의크기를 측정할 필요가 있다.
이 논문은 휴머노이드 로봇을 위한 인간형 로봇손의 개발과 인간 손가락 동작을 모방한 설계 방법을 제시하였다. 손가락의 자유도를 줄이는 데서 발생하는 여러 문제점들을 극복하기 위하여 인간손의 구조와 손가락의 동작을 해부학적 관점에서 분석하였고 그 결과 손가락 관절의 운동범위에 대한 구속 조건에서 발견된 안정성을 높이는 데에 기여하는 특징을 설계개념에 반영되었다.
이 논문의 목적은 안정적인 쥠을 고려한 1자유도의 로봇 손가락을 설계하고, 손동작을 통한 인간과의 의사소통을 위해 3개의 손가락과 1개의 엄지를 갖는 로봇손을 구성하는데 있다. 이를 위해 인간손의 구조와 동작을 고찰하였고 4절 링크를 이용하여 로봇손의 동작을 구현하였다.
이제 결정되어야 할 두 파라메터 匕 와 % 의 값이 4절 링크의 동작에 미치는 영향을 살펴보자. 구동기의 작동에 의해 링크 1이 설정된 운동범위(0~75°)를 회전하는 상태를 가정한다.

가설 설정

동작에 미치는 영향을 살펴보자. 구동기의 작동에 의해 링크 1이 설정된 운동범위(0~75°)를 회전하는 상태를 가정한다. 모든 파라메터들이 고정되어 있는 상태에서 각 링크는 기구학적 관계에 의해 운동을 하게 된다.
각 손가락 마디의 운동범위는 안정성을 증대시키기 위해 위에서 설명된 해부학적 고찰 결과들을 고려하여 결정되었고 표 1에 나타내었다. 마지막으로 각 손가락의 MCP 관절은 손바닥에 고정된다고 가정하였다.

제안 방법

첫째마디(proximal phalanx)와 구속되었다. 기어, 텐던, 그리고 링크 등의 다양한 기계요소들이 검토되고 실험된 후에 손가락 마디 사이의 구속조건을 생성하기 위해 4절링크를 사용하기로 결정하였다. 링크는 간단한 구조를 가지면서도 안정적인 성능을 내고 기어에서 발생하는 백래시나 텐던에서의 늘어짐과 같은 문제점이 없는 장점을 가지는 반면 비선형적인 동작을 하고 동작 위치에 따라 전달되는 토크가 변화한다는 단점을 가지고 있다.
실험에서 측정된 손가락의 속도는 사람의 손가락이 움직일 수 있는 최대 속도와 비슷한 값을 보인다. 두 번째 실험에서는 주파수 응답을 측정하였다. 각 손가락은 0°~10°의 범위에서 움직이게 하였다.
두 파라메터의 값을 찾고 그 효과를 시험하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 사용하였다. 우선 링크 1의 위치 Q 을최대값(75°)에 고정 시킨 후 두 파라메터의 값을 변화시키면서 링크 5의 상대 위치 0 의 변화를 3차원 상에 곡면으로 나타내었다.
두번째로 PIP 관절과 DIP 관절 사이의 동적 구속에 대하여 살펴본다. 이 구속조건에서 중요하게 보이는 관계는 DIP 관
손가락의 자유도를 줄이는 데서 발생하는 여러 문제점들을 극복하기 위하여 인간손의 구조와 손가락의 동작을 해부학적 관점에서 분석하였고 그 결과 손가락 관절의 운동범위에 대한 구속 조건에서 발견된 안정성을 높이는 데에 기여하는 특징을 설계개념에 반영되었다. 손가락의 구조에는 4절 링크가 사용되었고 파라메터들을 결정하기 위하여 시뮬레이션을 통한 해석이 수행되었다. 마지막으로 개발된 손의 성능을 검증하기 위한 실험이 수행되었다.
손가락의 자유도를 줄이는 데서 발생하는 여러 문제점들을 극복하기 위하여 인간손의 구조와 손가락의 동작을 해부학적 관점에서 분석하였고 그 결과 손가락 관절의 운동범위에 대한 구속 조건에서 발견된 안정성을 높이는 데에 기여하는 특징을 설계개념에 반영되었다. 손가락의 구조에는 4절 링크가 사용되었고 파라메터들을 결정하기 위하여 시뮬레이션을 통한 해석이 수행되었다.
그 결과 모터가 낼 수 있는 성능이 한계에 도달했을 때, 모터가 순간적으로 역회전을 하도록 유도하게 되고 결과적으로 손가락의 동작이 끊기는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상을 보완하기 위해 단면적이 넓은 타이밍 벨트를 사용하여 탄성을 증가시켰다. 한편 파지 실험에 대한 동영상은 [14]에서 참조할 수 있다.
이를 위해 인간손의 구조와 동작을 고찰하였고 4절 링크를 이용하여 로봇손의 동작을 구현하였다.
손가락의 성능을 시험하기 위해 두 가지 실험이 실시되었다. 첫 번째 실험에서는 손가락을 초기 위치에서 최종 위치까지 구부리는데 걸리는 최소 시간을 측정하였는데 각 손가락마다 다른 반응 속도를 보였다. 엄지와 인지는 0.

이론/모형

개발된 로봇손에 대한 제어 시스템을 구성하는데 있어서 휴머노이드 로봇 전체와의 통일성을 위해 IEEE-1394에 기반한 실시간 로봇제어시스템이 사용되었다[13]. 휴머노이드 주제어기(main controller)는 리눅스 기반의 RTOS Xenomai에서작동되고 IEEE-1394 통신망을 이용하여 각 조인트 제어를 위한 부제어기 (local controller)와 정보를 주고 받는다.

성능/효과

마지막으로 개발된 손의 성능을 검증하기 위한 실험이 수행되었다. 결과적으로 본 논문에서 개발된 로봇손은 인간이 일상생활에서 사용하는 대표적인 모양의 물체들 중 구형과 실린더형의 물체들을 자연스럽고 안정적으로 파지할 수 있었다. 하지만 접시와 같은 원판형 물체를 다루는 데에는 안정성이 부족함을 알 수 있었고 쥘 수 있는 물체의 크기 또한 제한되었다.
각 손가락은 0°~10°의 범위에서 움직이게 하였다. 실험 결과 로봇 손가락이 안정적으로 따라갈 수 있는 가장 높은 주파수는 6Hz로서 이는 로봇 손가락들이 아주 민첩하게 반응할 수 있다는 것을 보여준다. 그림 14는 중지에 대한 주파수응답 실험 결과이다.
있다. 첫번째로 (1)로부터 손가락의 두번째 관절인 PIP의 운동 범위가 첫번째 관절인 MCP (metacapophalangeal) 의 운동 범위보다 더 크다는 사실에 주목할 수 있다. 손이 최대로 편 위치에서 주먹을 쥔 위치까지 움직일 때 손바닥은 공간을 형성하게 된다.
첫째 실험 결과에서 인지와 약지의 구조가 동일함에도 불구하고 초기위치에서 최종위치까지 안정적으로 구부리는데 걸리는 최소시간이 서로 다르게 측정되었다. 이 결과는 구동기와 손가락을 연결하는 타이밍 벨트의 길이 차이에서 오는 탄성계수의 불일치에 기인한다.

참고문헌 (13)

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J. Butterfass, M. Grebenstein, H. Liu and G. Hirzinger: DLRHand II: Next Generation of a Dextrous Robot Hand, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 109-114, 2001
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상세보기
Y. Sakagami, R. Watanabe, C. Aoyama, S. Matsunaga, Nobuo Higaki, and Kikuo Fujimura: The intelligent ASIMO: System overview and integration, Proceedings of the IEEE/RSJ Intl. Conference on Intelligent Robotics and Systems, pp. 2478-2483, 2002
I.-W. Park, J.-Y. Kim, J. H. Lee and J.-H. Oh: Mechanical Design of Humanoid Robot Platform KHR-3(KAIST Humanoid Robot-3: HUBO), Proceedings of 5th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, pp. 321-326, 2005
M. R. Cutkosky: On Grasp Choice, Grasp Models, and the Design of Hands for Manufacturing Tasks, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 5, no. 3, pp. 269-279, 1989

상세보기
J. Lin, Ying Wu, and Thomas S. Huang, Modeling the Constraints of Human Hand Motion, in Proc. Workshop on Human Motion, pp. 121-126, 2000
M. O. F. Sarker, C. H. Kim, S. H. Baek and B.-J. You: An IEEE- 1394 Based Real-time Robot Control System for Efficient Controlling of Humanoids, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 1416-1421, 2006
http://mercury.kau.ac.kr/sjkwon/image2007/20070716SangikA hnHand.wmv (실험 동영상)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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